扩张型Benes光交换集成芯片路由算法.DOC

1、扩张型Benes光交换集成芯片路由算法张金花，武保剑*，邱 昆（电子科技大学 信息与通信工程学院，光纤传感与通信教育部重点实验室，成都 611731）摘要：以“基于微环谐振器的 1616高速光交换集成芯片”863项目为背景，介绍了光交换集成芯片实验系统组成，以及重排无阻塞的传统型和扩张型Benes光交换集成芯片结构，详细描述了相应环路路由算法的具体执行过程。提出一种层级优化的环路路由算法，并通过穷举法证明了其有效性，其中算法的权值系数与光开关插入损耗相联系。针对本文给定的交换连接需求情形，采用层级优化的路由算法，得到了其最佳配置状态。研究表明：扩张型Benes结构具有很好的串扰抑制性能，容错能

2、力强，但其插入损耗比传统型Benes结构略有增加。关键词：光交换集成芯片；Benes交换网络；环路路由算法中图分类号：TN256 文献标识码 : A 开放科学（资源服务）标识码（OSID ）：Routing algorithm of dilated Benes optical switching integrated chipZHANG Jinhua, WU Baojian*, QIU Kun(Key Laboratory of Optical Fiber Sensing and Communication, Ministry of Education, School of Informati

3、on and Communication Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China) Abstract: Based on the 863 project “1616 high-speed optical switching integrated chip based on micro ring resonator”, the experimental system of optical switching integrated chip based

4、on the rearrangeable non-blocking structure of traditional or dilated Benes network is introduced. The specific operating process of the corresponding loop routing algorithms is described in detail. This paper presents a hierarchically optimized loop routing algorithm with the weight coefficient rel

5、ated to the insertion loss of optical switch cell, and verifies its effectiveness by the exhaustive method. It is shown that the dilated Benes structure has a good performance in crosstalk suppression along with strong fault tolerance, but the insertion loss is slightly increased compared with the t

6、raditional Benes structure.Key words: optical switching integrated chip; Benes switching network; loop routing algorithm0引言光交换集成芯片是指在微纳尺度内、利用集成光学技术实现的光交换功能的芯片器件，光交换功能可使光信号从一个信道选择性地转移到另一个信道。与传统光交换器件相比，光交换集成芯片能够有效降低交换节点功耗、体积和成本，也有助于提高交换容量、增强器件可靠性。集成光开关是构成光交换集成芯片的基本单元，常见的集成光开关单元结构有定向耦合器型、MZI或微环干涉型、多模干涉

7、型、全内反射型和数字型等 1,2。光开关的切换功能离不开光波导材料的热光、电光和载流子色散等物理效应，制作集成光开关的光波导材料主要有LiNbO 3、III-V族化合物半导体（如InP、GaAs）、SiO 2和硅等，其中基于 III-V族化合物半导体和硅材料的高速光交换集成器件是目前研究的热点 3,4。一般而言，光交换集成芯片由输入输出光耦合接口、光开关矩阵以及控制单元等几部分组成，其中光开关矩阵是由光开关单元组成的交换网络结构，如严格无阻塞的直通型和树型结构、重排无阻塞的拜尼兹型（Benes）和斯番克-拜尼兹型（ Spanke-Benes）结构等 5-9。因此，采用12 或22光开关单元组成

8、大规模光交换集成芯片时，光开关单元拓扑结构至关重要 3。相比而言，重排无阻塞交换结构所需的开关单元数目较少，被广泛研究。2014年，上海交通大学报道了一个低功耗的22开关单元 10，采用的开关单元结构是双微环耦合马赫-曾德尔干涉仪（MZI）结构，器件串扰小于-20dB，开关切换的功耗为0.69mW。2017年，中科院半导体所基于Benes结构实现了3232载流子注入型光交换芯片 4，体现了目前高速光交换芯片的规模水平。在大规模光交换芯片中，预先确定开关路由来满足交换服务请求是不现实的，必须借助于合适的路由算法。因此，交换结构的性能与芯片路由算法密切相关。另一方面，随着光交换集成芯片输入输出端口

9、数的扩大，芯片系统的串扰和插入损耗急剧增加，成为制约光交换芯片交换规模的关键因素 11-13。除进一步完善光开关单元设计和加工工艺外，通过改进光交换网络拓扑结构及其路由算法也可以降低芯片系统串扰和插入损耗 14-16。 在光交换网络中，主要从以下两方面评价路由算法：一是输入信号能够无阻塞、无差错地路由到指定的输出端口，二是所选择的路由的插入损耗或串扰尽可能小。以前，针对重排无阻塞结构 17-21，重点解决配置算法的资源冲突、算法复杂度和时间复杂度等问题，没有关注整个芯片结构的性能问题。本文以“基于微环谐振器的1616高速光交换集成芯片”863项目为背景，介绍光交换集成芯片系统组成，研究重排无阻

10、塞传统型Benes光交换集成芯片路由算法，提出一种可提高芯片串扰性能的扩张型Benes交换结构和层级优化环路路由算法。1 光交换集成芯片实验系统光交换芯片测试系统如图1所示，它由1616传统型Benes光交换芯片模块、芯片控制模块、管理模块以及光收发送模块组成 22。芯片控制模块包含有可扩展的高精度热光控制电路和电光控制电路，管理模块中运行芯片的配置路由算法。当管理模块收到所需输入输出交换服务请求时，调用路由算法，把计算得到的所有开关状态通过传输总线下载到控制模块中，控制模块产生适当的开关电压，完成光交换芯片中各开关单元状态的配置，从而将输入光信号交换到指定的输出端口，实现芯片交换功能。 一

11、一 一 一 一一 一一 一 一 一一 一 一 一 一一 一PCLD一 一 一 一一 一 LD一 一 一 一PC一 一 一 一 一 一图1 光交换芯片测试系统2 传统型Benes光交换芯片的环路路由算法一 一 一 一 一 一S11S21S31S41S51S61S71S81S12S22S32S42S52S62S72S82S13S23S33S43S53S63S73S83S14S24S34S44S54S64S74S84S15S25S35S45S55S65S75S85S16S26S36S46S56S66S76S86S17S27S37S47S57S67S77S87一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一

12、 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一1234567891011121314151612345678910111213141516图2 1616传统型Benes光交换结构 对于图2所示的由七级光开关组成的1616传统型Benes结构，可采用基于2 t可重排交换网络的环路路由算法 21，在输入端口和输出端口之间建立一一对应关系，其中同一22光开关单元的两个输入信号不能同时到达同一个输出端口。事实上，通路上开关单元交叉态或平行态（22光开关的两种状态）的不同，也影响芯片的串扰和插入损耗等性能。实验中我们采用改进的环路算法，具体的改进过程将结合扩张型Benes结构加以说明。下面针对1616传统型B

13、enes结构描述环路路由算法的基本思想：首先确定边缘级（如第一级和第七级）开关的状态，再确定内部次级（如第二级和第六级）开关的状态，依次类推，直到所有开关状态都确定。以Input=1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，Output=8，13，7，9，1，2，16，5，11，10，15，3，14，4，6，12为例，描述环路路由算法的具体实施过程。首先，假设第一级的第1个开关S 11为平行态，根据Benes网络结构特点，从第一级中输入端口1输入的光信号经“上”子网络连接至对应开关S 47（交叉态）的输出端口8，即完成交换需求I 1O8；然后，与同一开关 S4

14、7的输出端口7对应的交换需求是I 3O7，输出端口7应从“下” 子网络连接至输入端口3，对应的开关S 12应为交叉态，则开关S 12另一输入端口4应从“上”子网络连接至处于平行态的开关S 57，这样才能满足交换需求I 4O9；依次类推，并由此形成了第一个环路。接下来，从第一级中任选一个未遍历的开关开始，按照第一个环路路由的过程进行所有未遍历开关状态的配置，由此形成第二个环路，第二个环路与第一个环路相互独立，且此时第一级和第七级的所有开关均已遍历完。第一级和第七级开关的对应状态如图3所示。下一步的任务是通过第二级和第六级之间的两个88开关阵列建立连接路径，并确定第二级和第六级的开关状态。最终确定

15、的所有光开关状态如图4所示。1234567891011121314151612345678910111213141516S11S21S31S41S51S61S71S81S17S27S37S47S57S67S77S87一 一 一 一 一 一“一 ”一 一 一“一 ”一 一 一一 一 一 一 一 一图4 1616传统型Benes第一级和第七级开关状态确定过程1234567891011121314151612345678910111213141516一 一 一 一 一 一S11S21S31S41S51S61S71S81S12S22S32S42S52S62S72S82S13S23S33S43S53S6

16、3S73S83S14S24S34S44S54S64S74S84S15S25S35S45S55S65S75S85S16S26S36S46S56S66S76S86S17S27S37S47S57S67S77S87一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一图 4 1616传统型Benes 所有开关状态在我们承担的863项目中，采用了带有环路算法的Benes结构交换芯片 22，测试得到的最大插入损耗为32.75dB，最大串扰为 -10.29dB，光交换芯片串扰小于-10dB，测试系统如图5所示，实验表明它能够满足通信系统要求。图5 1616光交换芯片测试系统实物图

17、3扩张型Benes结构与层级优化路由算法3.1扩张型Benes光交换结构NN扩张型 Benes光交换网络通过混洗和逆混洗的方式构造而成 7，N为端口数，具体构造过程如下： 一个22扩张型Benes网络包含两级光开关，每级2个开关单元，两级开关通过混洗和逆混洗的方式连接而成，如图6（a）所示，22扩张型Benes网络是NN扩张型Benes网络中的基本网络（ ）；2N 一个44扩张型Benes网络包含四级开关，每级4个开关单元，第一级和第四级开关通过混洗和逆混洗的方式连接至中间两个22子网络，如图6（b）所示； 一个88扩张型Benes网络包含六级开关，每级8个开关单元，第一级和第六级开关通过混洗

18、和逆混洗的方式连接至中间两个44子网络，如图6（c）所示。以此类推，按照上述相同构造方式可递归至一个NN扩张型Benes网络，包含2log 2N级开关，每级N个开关单元，第一级和最后一级开关通过混洗和逆混洗的方式连接至中间两个N/2 N/2 “上”、“下”子网络，NN扩张型 Benes网络共计2Nlog 2N个开关单元，如图6（d）所示。 （ a） 22扩 张 型 Benes网 络（ b） 44扩 张 型 Benes网 络 （ c） 88扩 张 型 Benes网 络I1I2I3I4I(N-1)INO1O2O3O4ONO(N-1)一 一 一 一 一 一“ 一 ” 一 一 一“ 一 ” 一 一 一

19、N/2N/2N/2N/2 (d) NN扩张型Benes网络图6 NN扩张型Benes 结构构造1616扩张型Benes光交换结构如图7所示，由图7和扩张型Benes结构特点可知，网络中每个光开关只允许一路信号通过，即不能有两路信号同时到达。对每级光开关而言，第(2s1)和第 2s个开关之间具有约束关系（s=1,2，.，8），也就是说，若第(2s1)个开关从“上”子网络连接至下一级开关，则第2s个开关只能从“下”子网络连接至下一级开关。因而扩张型Benes网络具有几乎可以忽略的串扰量 8，具有非常高的信噪比优势。一 一 一 一 一 一一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一

20、 一 一 一 一 一 一 一 一1234567891011121314151612345678910111213141516S(16,1)S(15,1)S(14,1)S(13,1)S(12,1)S(11,1)S(10,1)S(9,1)S(8,1)S(7,1)S(6,1)S(5,1)S(4,1)S(3,1)S(2,1)S(1,1)S(16,2)S(15,2)S(14,2)S(13,2)S(12,2)S(11,2)S(10,2)S(9,2)S(8,2)S(7,2)S(6,2)S(5,2)S(4,2)S(3,2)S(2,2)S(1,2)S(16,3S(15,3)S(14,3)S(13,3)S(12,

21、3)S(11,3)S(10,3)S(9,3)S(8,3)S(7,3)S(6,3)S(5,3)S(4,3)S(3,3)S(2,3)S(1,3)S(16,4)S(15,4)S(14,4)S(13,4)S(12,4)S(11,4)S(10,4)S(9,4)S(8,4)S(7,4)S(6,4)S(5,4)S(4,4)S(3,4)S(2,4)S(1,4)S(16,5)S(15,5)S(14,5)S(13,5)S(12,5)S(11,5)S(10,5)S(9,5)S(8,5)S(7,5)S(6,5)S(5,5)S(4,5)S(3,5)S(2,5)S(1,5)S(16,6)S(15,6)S(14,6)S(1

22、3,6)S(12,6)S(11,6)S(10,6)S(9,6)S(8,6)S(7,6)S(6,6)S(5,6)S(4,6)S(3,6)S(2,6)S(1,6)S(16,7)S(15,7)S(14,7)S(13,7)S(12,7)S(11,7)S(10,7)S(9,7)S(8,7)S(7,7)S(6,7)S(5,7)S(4,7)S(3,7)S(2,7)S(1,7)S(16,8)S(15,8)S(14,8)S(13,8)S(12,8)S(11,8)S(10,8)S(9,8)S(8,8)S(7,8)S(6,8)S(5,8)S(4,8)S(3,8)S(2,8)S(1,8)图 7 1616扩张型Bene

23、s光交换结构1616扩张型Benes网络共有八级（比传统型Benes结构多一级），每级有16个开关，总计128个光开关单元。总体而言，扩张型Benes光交换结构在插入损耗性能上要劣于传统型Benes光交换网络，或者说，扩张型Benes结构能够显著提升串扰性能是以增加开关单元数或插入损耗为代价的 7,8,23。因此，研究扩张型Benes结构的路由算法，控制并选择具有较低插入损耗的开关路由是本文研究的重点。3.2层级优化路由算法目前大部分路由算法是针对交换网络输入输出端口的连通性而设计的，未考虑交换芯片中光开关单元状态及其数量对相应开关路由插入损耗的影响。实际中，光开关插入损耗在交叉态和平行态时会

24、有较大的性能差异 14,17，若初始态为平行态并具有较低的插入损耗，则其切换到交叉态时，插入损耗会增加。因而，建立输入输出交换路径时，要尽可能多地选择平行态 11。为达到这一目的，我们通过适当设置相应权值，提出一种层级优化路由算法，其中权值对应于插入损耗性能，权值越大，插入损耗越大，反之插入损耗越小。1616扩张型Benes光交换结构有128个开关，设处于平行态的开关数为m，处于交叉态的开关数为n，假设平行态的权值为x，交叉态的权值为y，则系统的总权值A可由式（1）计算： （1）(128)128()128()xynynxynxym以A值最小为优化目标，由式（ 1）可知，如果yx ，则n取最小值

25、；如果xy，则m取最小值。也就是说，权值小的状态开关数应尽量多，这样可以降低插入损耗，从而得到与上述分析一致的结果。层级优化路由算法的基本思想是：通过环路路由算法确定每个环路中的所有开关状态，然后引入所有开关交叉态或平行态下的权值，计算每个环路中开关权值之和M，同时将环路中的开关状态全部取反后再计算开关权值之和M，对两个权值M和M进行比较判断，若MM，则取权值更小者M对应的开关状态。下面以1616扩张型Benes光交换结构说明层级优化路由算法的具体实现过程。以输入输出请求Input=1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，Output=8，13，7，9，1

26、，2，16，5，11，10，15，3，14，4，6，12为例，假设所有开关的初始态为平行态（低插入损耗状态），设置所有开关的平行态权值为0.11，交叉态权值为0.89。假设第一级和第八级中的每个22开关单元的上端口作为系统的输入和输出端口。算法的具体过程如下：第一步，利用优化的路由算法确定边缘级（第一级和第八级）的开关状态。假设从第一级中的开关S (1,1)开始路由且其状态为平行态，则输入端口 1的信号将通过“ 上”子网络连接至开关S （8,8） （平行态）的输出端口8，即完成交换需求I 1O8；此时，与开关S （8,8） 相互约束的开关为S （7,8）， 其输出端口7对应的交换需求是I 3O

27、7，输出端口7应通过“ 下”子网络连接至输入端口3，对应的开关S (3,1)应为交叉态；要满足交换需求I 4O9，与S (3,1)相互约束的开关S （4,1） 的输入端口4应从“上”子网络连接至处于平行态的开关S (9,8)；依次类推，直到形成一个环路，并计算该环路中所有开关的权值之和为 ，然10.6.16M后将上述环路中所有开关状态取反后再计算权值之和为 ，即8，边缘级中平行态和交叉态开关均为16个，可以取任意一种开关组合状态。第1M一级和第八级开关的对应状态如图8所示。一 一 一 一 一 一一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一123456789101112131415161234

28、5678910111213141516S(16,1)S(15,1)S(14,1)S(13,1)S(12,1)S(11,1)S(10,1)S(9,1)S(8,1)S(7,1)S(6,1)S(5,1)S(4,1)S(3,1)S(2,1)S(1,1)S(16,8)S(15,8)S(14,8)S(13,8)S(12,8)S(11,8)S(10,8)S(9,8)S(8,8)S(7,8)S(6,8)S(5,8)S(4,8)S(3,8)S(2,8)S(1,8)8 8“ 一 ” 一 一 一8 8“ 一 ” 一 一 一图8 1616扩张型Benes第一级和第八级开关的对应状态第二步，确定两个88中间级子网（即第

29、二级和第七级）的开关状态。以“上”子网络为例，说明路由算法确定开关状态的过程。由第一级和第七级的开关状态可知，“上”子网络中对应的输入输出请求为Input=1，2，3，4，5，6，7，8、Output=4，5，1，8，6，2，7，3。这里表示的输入输出端口是相对于 88“上”子网而言的。首先，假设从开关 S（1,2）开始路由且其状态为平行态，则输入端口1将通过“上”子网络连接至开关S （4,7） （交叉态）的输出端口4，即完成交换需求I 1O4；然后与开关S （4,7） 相互约束的开关S （3,7） 的输出端口3对应的交换需求是I 8O3，输出端口3应通过“下” 子网络连接至输入端口8，对应的

30、开关S（8,2） 应为交叉态，则与开关S （8,2） 相互约束的开关S （7,2 ） 的输入端口7应从“上”子网络连接至处于交叉态的开关S （7,7） ，这样才能满足交换需求I 7O7；依次类推，直到遍历完该88子网络中的所有开关，由此形成一个环路。计算该级环路中所有开关的权值之和为，将该级环路中所有开关状态取反后再计算权值之和为20.1.96.4M， ，所以取权值较小者 对应的开关组合状态=81052M2M，即环路中有10个平形态开关，6个交叉态开关，平形态开关个数多于交叉态开关个数。第二级和第七级所有开关的对应状态如图9所示。一 一 一 一 一 一一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一

31、 一91011121314151612345678910111213141516S(16,1)S(15,1)S(14,1)S(13,1)S(12,1)S(11,1)S(10,1)S(9,1)S(8,1)S(7,1)S(6,1)S(5,1)S(4,1)S(3,1)S(2,1)S(1,1)S(16,8)S(15,8)S(14,8)S(13,8)S(12,8)S(11,8)S(10,8)S(9,8)S(8,8)S(7,8)S(6,8)S(5,8)S(4,8)S(3,8)S(2,8)S(1,8)一 一 一 一 一 一S(16,2)S(15,2)S(14,2)S(13,2)S(12,2)S(11,2)S

32、(10,2)S(9,2)S(8,2)S(7,2)S(6,2)S(5,2)S(4,2)S(3,2)S(2,2)S(1,2)S(16,7)S(15,7)S(14,7)S(13,7)S(12,7)S(11,7)S(10,7)S(9,7)S(8,7)S(7,7)S(6,7)S(5,7)S(4,7)S(3,7)S(2,7)S(1,7)123456781234567812345678123456781234567844“ 一 ” 一 一 一44“ 一 ” 一 一 一44“ 一 ” 一 一 一44“ 一 ” 一 一 一图9 1616 扩张型Benes 第二级和第七级所有开关的对应状态第三步，按照与上述第一步

33、和第二步类似的路由过程，确定中间第三级和第六级的开关状态，然后再确定第四级和第五级的开关状态，最终可确定整个1616扩张型Benes的所有128个开关状态，如图10所示。一 一 一 一 一 一一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一91011121314151612345678910111213141516S(16,1)S(15,1)S(14,1)S(13,1)S(12,1)S(11,1)S(10,1)S(9,1)S(8,1)S(7,1)S(6,1)S(5,1)S(4,1)S(3,1)S(2,1)S(1,1)S(16,8)S(15,8)S(14,8)S(13,8)S(12,8)S(11,

34、8)S(10,8)S(9,8)S(8,8)S(7,8)S(6,8)S(5,8)S(4,8)S(3,8)S(2,8)S(1,8)一 一 一S(16,2)S(15,2)S(14,2)S(13,2)S(12,2)S(11,2)S(10,2)S(9,2)S(8,2)S(7,2)S(6,2)S(5,2)S(4,2)S(3,2)S(2,2)S(1,2)S(16,7)S(15,7)S(14,7)S(13,7)S(12,7)S(11,7)S(10,7)S(9,7)S(8,7)S(7,7)S(6,7)S(5,7)S(4,7)S(3,7)S(2,7)S(1,7)12345678一 一 一 一 一 一 一 一 一S

35、(16,3S(15,3)S(14,3)S(13,3)S(12,3)S(11,3)S(10,3)S(9,3)S(8,3)S(7,3)S(6,3)S(5,3)S(4,3)S(3,3)S(2,3)S(1,3)S(16,4)S(15,4)S(14,4)S(13,4)S(12,4)S(11,4)S(10,4)S(9,4)S(8,4)S(7,4)S(6,4)S(5,4)S(4,4)S(3,4)S(2,4)S(1,4)S(16,5)S(15,5)S(14,5)S(13,5)S(12,5)S(11,5)S(10,5)S(9,5)S(8,5)S(7,5)S(6,5)S(5,5)S(4,5)S(3,5)S(2,5

36、)S(1,5)S(16,6)S(15,6)S(14,6)S(13,6)S(12,6)S(11,6)S(10,6)S(9,6)S(8,6)S(7,6)S(6,6)S(5,6)S(4,6)S(3,6)S(2,6)S(1,6)图10 1616扩张型Benes 所有128个开关状态4扩张型Benes层级优化路由算法验证在任意给定的输入输出交换连接请求下，通过与穷举法获得的所有可能无阻塞路由方案的插入损耗进行比较，来验证层级优化路由算法的有效性。仍以输入Input=1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16和输出 Output=8，13，7，9，1，2，16，5，11，

37、10，15，3，14，4，6，12的交换连接请求为例，通过穷举法获得的满足上述连接请求的开关组合状态数为2048种，各路由方案的插入损耗由公式（1）计算，其中所有开关的平行态权值为0.11，交叉态权值为0.89。通过Matlab计算实现的穷举法遍历结果如图11所示，其中有24种权值和最小为59.32的开关组合状态，128个开关中平行态开关数为70个，交叉态开关数为58个。一 一 一 一 一 一 一128一 一 一 一 一 一05010015020025030035040040455055606570758050 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70一一一一一一一128一一

38、一一一一一 一 一 一 一 一 一图11 穷举法得到的遍历结果9101112131415161234567891011121314151612345678图12 层级优化路由算法得到的结果按照本文提出的层级优化路由算法，每个环路路由方案对应一种开关组合状态，若已知每个层级的可选择路由环路个数，则所有可能的开关组合状态也确定。设边缘级（第一级和第八级）的路由环路数为q，中间级（第二级和第七级）的路由环路数为p，中间级（第三级和第六级）的路由环路数为r，每个环路的开关组合状态有两种，则共有个开关组合状态可以满足所指定的连接需求。例如，对于上述举例的输入2prCN输出信号请求，所有可能的开关组合状态

39、总数为 种，通过层级优化27048M路由算法可得到最优的一种开关组合状态，其权值和为59.32，对应的每级开关状态及16路路由路径如图12所示。需指出的是，在边缘级或每个中间级寻找环路时，可能会形成几个相互独立的子环路，它们的不同组合均可构成相应的完整环路，对应着不同开关状态。因此，根据层级优化路由算法，还可得到其它23种权值和为59.32的开关组合状态，这样权值和最小的开关组合状态有24种，与穷举法所得结果一致。具有更多开关组合状态的好处是可提高芯片的容错能力，也就是说，当最优开关组合状态中某个或几个光开关单元损坏或性能劣化时，选择不经过这些故障光开关的次优备选交换路由，仍可满足所需的交换连

40、接请求。可见，扩张型Benes结构具有较高的容错能力。一 一 一一 一 一012345671 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324一一一一一一一一一一一一24一 一 一 一 一 一 一图13 对应于24种开关状态的路由信道权值和通过层级优化路由算法得到的权值和最小的24种开关组合状态中，可进一步计算比较24种状态的输入输出端口插入损耗（对应于16个路由信道的权值和），每种状态对应的16个路由信道权值和分布及其标准差曲线如图13所示。显然，存在一种开关组合状态（如图12所示），它的16个路由信道权值和的差别最小（为3.12）、标准差也最小（

41、为0.82），换句话说，其对应的16个路由信道的插入损耗最为接近，16个路由信道的输入输出端口的插入损耗一致性最好，即信道均衡性能最好。本文提出的层级优化算法不仅能得到权值和一致的多种路由选择，还能获得其中最佳的一种配置状态。当然，层级优化路由算法也可运用于传统型Benes结构。对于上述输入输出信号请求，能且仅能获得权值和最小的唯一一种开关组合状态，其中交叉态开关个数为18个，平行态开关个数为38个，它的16个路由信道权值和最大相差1.56，标准差为0.65，其插入损耗性能优于扩张型Benes 结构。由文献24中提出的信噪比公式计算可得，1616传统型Benes 结构的信噪比为11.5dB，扩

42、张型Benes结构的信噪比为25.5dB，信噪比性能明显优于传统型 Benes结构。在组网能力方面，输入输出端口之间的串扰和插入损耗最大值表征了光开关矩阵的性能，它们主要影响组网半径或网络路由路数。分别通过光放大和光整形技术可进一步减小插入损耗和串扰，其中整形功能相对更难实现。因此，扩张型Benes结构更适用于串扰受限系统。此外，串扰或插入损耗的非一致性会对网络路由波长分配算法提出更高要求，影响组网灵活性。现实中使光交换芯片的所有性能参数同时达到最优几乎是不可能的 7,8,25,26，但可以根据实际需求选择合适的拓扑结构及其优化路由算法来提高大规模光交换芯片系统整体性能。5结束语针对低串扰的扩

43、张型Benes结构，本文提出了一种可实现任意输入输出连接请求的层级优化环路路由算法，能够得到最佳的开关配置状态，采用遍历方法证明了其有效性。研究表明：与传统型Benes结构相比，扩展型Benes结构的容错能力更强，但输入输出端口之间插入损耗的一致性略差。参考文献：1王章涛，余金中. 集成光开关阵列的研究进展J. 激光与红外， 2003，33(1)：17-20.2杨建义，江晓清. 用于光纤通信的光开关研究进展J. 光通信研究， 2000(4)：42-48.3 TANIZAWA K, SUZUKI K, TOYAMA M, et al. Ultra-compact 32 32 strictly-n

44、on-blocking Si-wire optical switch with fan-out LGA interposerJ. Optics Express, 2015, 23(13):17599-17606.4 QIAO L, TANG W, CHU T. 32 32 silicon electro-optic switch with built-in monitors and balanced-status unitsJ. Scientific Reports, 2017, 7:42306-42312.5 HINTON H S. A nonblocking optical interco

45、nnection network using directional couplersC/Proceedings of IEEE Global Telecommunications Conference (GLOBECOM 1984), November 9, 1984, Atlanta, USA. Piscataway: IEEE, 1984: 885-889.6 SPANKE R. Architectures for large nonblocking optical space switchesJ. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2003, 2

46、2(6):964-967.7 PADMANABHAN K, NETRAVALI A N. Dilated Networks for Photonic SwitchingJ. Communications IEEE Transactions on, 1987, 35(12):1357-1365.8 KABACI, SKI W. Modified dilated Benes networks for photonic switchingJ. Communications IEEE Transactions on, 1999, 47(8):1253-1259.9 KUO G S, ZHU G. A

47、Novel Integrated Multistage 2-D MEMS Optical Switch With SpankeBenes ArchitectureJ. Journal of Lightwave Technology, 2008, 26(5):560-568.10 CHEN J, LU L, ZHOU L, et al. Low-power 22 silicon electro-optic switches based on double-ring assisted MachZehnder interferometersJ. Optics Letters, 2014, 39(6)

48、: 1633-1636.11 赵元力，武保剑，廖明乐，等. 光交换芯片的串扰分析与DQPSK信号传输实验J. 光学学报, 2016(1):157-163.12 周治平，郜定山，汪毅，等. 硅基集成光电子器件的新进展J. 激光与光电子学进展，2007，44(2)：31-38.13 赵元力. 硅基光交换芯片设计与性能评估D. 成都：电子科技大学，2016.14 石鑫，孙军强. 通用改进扩展Benes型光开关的控制模块设计 J. 光电子激光，2003， 14(12)：1263-1267.15 GUAN A, SUN J, LI F. Low crosstalk improved dilated be

49、nes networks for photonic switchingJ. Iet Optoelectronics, 2007, 1(1): 31-34.16 管爱红，张红梅，王玉华，等. 基于扩展Benes结构的光交叉连接节点中串扰积累特性分析J. 光学学报，2009，29(3)：602-607.17 KARIMI A, AGHAKHANI K, MANAVI S E, et al. Introduction and Analysis of Optimal Routing Algorithm in Benes Networks J. Procedia Computer Science, 2014, 42(6): 313-319.18 FENG T Y, SEO